人々が時間を知るために使うほとんどの時計は、毎月10秒か15秒の誤差で動いています。 ロレックスのような高級機械式時計は、毎日1～2秒の誤差があります。 科学者たちは、測定する現象が数十億分の1秒しか続かないことが多いため、より精密で正確なものを必要としているのです。 1955年に最初の正確なものが作られました。 原子時計は、原子がエネルギー状態を変化させるときの振動を測定することで時間を計っています。 原子は1秒間に何十億回も振動しているため、原子時計は非常に正確である。 国立標準技術研究所では、セシウムの原子が1秒間に91億9263万1770回振動することを「公式」な秒と定めている。 (時計のクオーツは1秒間に約32,000回振動し、セシウム原子の29万倍遅い）
科学者は原子時計について、安定性と精度という観点から話しています。 原子時計にとって、精度とは原子の振動をどれだけ正確に測れるかということです。 2つの時計を比較することで、その周波数を読み取る際の不確かさ、つまり時計の精度を測定することができます。 安定性とは、一定時間の間に時計の刻みがどの程度変化するかということである。 10万個という大量の刻みを平均化すれば、時計が実際に刻む時間と照らし合わせて測れる数値になる。 科学者は通常、時計が数百万年かけて1秒を増減させるほど正確であると言うとき、その精度を指します。 科学者が正確さについて語るとき、一般的に時計が与えられた標準的な基準とどれだけ一致するかを指しています。その意味で、最も正確な時計は、常に標準的な秒を設定した時計なのです。
NISTの時間&周波数部門のチーフであるトム・オブライアン氏は、原子時計のいくつかのタイプについて言及しました。 標準秒を決めるのに使われているのはセシウム原子を使ったものですが、他のタイプではストロンチウム、アルミニウム、水銀を使っています。 水素を使うものもある。
原子時計の最大の買い手である電気通信業界は、光ファイバースイッチや携帯電話タワーを同期させるために原子時計を配備していると、O’Brian氏は述べています。 原子時計は、信号のタイミングを正確に測定し、衛星に対する自分の位置を報告するためにGPSシステムでも使用されています。
ここに、これまでに作られた最も正確な時計のいくつかがありますが、O’Brianは、技術が常に改善されており、科学者が時間のこれまで以上に正確な測定を作ろうとしていることを指摘しました。 NIST F2
2014年に初めてオンラインになったこの時計は、その前身であるNIST F1とともに、世界中の科学者が使う標準秒を決定するのに役立っているのです。 また、NIST F2は、通信や金融市場での取引まで、公式な時刻を同期させています。 この時計は、6台のレーザーを使って原子（約1000万個）を冷却し、もう1台のレーザーでマイクロ波放射に満たされたチャンバー内の原子を静かに上昇させる。 その精度は、この時計がマイナス316度（摂氏マイナス193度）の低温で作動していることからもわかる。 この時計は、約3億年に一度、1秒の誤差を生じさせる。
2.東京大学/理化学研究所
香取秀敏氏らの研究チームが製作した光格子原子時計です。 レーザー光の間に閉じ込めたストロンチウム原子をマイナス292F（マイナス180℃）に冷却して使用する。 光格子時計は、閉じ込められた原子のアンサンブルの振動を測定するため、誤差を平均化することができる。 2月9日付の英科学誌『ネイチャー・フォトニクス』によると、この時計の誤差は7.2×10^-18で、これは44億年に1秒の割合に相当する。0 x 10^-18、すなわち約160億年に1秒である。
3.The NIST / JILA strontium clock
NISTとコロラド大学ボルダー校の共同研究所であるJILAは、50億年に1秒の精度に達するストロンチウム格子時計を製作しました。 物理学者のJun Ye氏が率いるチームは2014年に研究成果を発表し、自分たちの時計と同じような別の時計と比較して結果を再確認した。 オブライアンによると、NISTはそれをさらに推し進め、日本の香取のチームが作った時計の安定性を超えるために、別の時計実験を計画しているという。 この時計は、ストロンチウム原子をレーザーでパンケーキ状の空間に閉じ込めることで作動する。 ある周波数に調整された赤いレーザー光は、原子をエネルギーレベル間でジャンプさせ、そのジャンプが「刻み」となり、毎秒約430兆個にもなります。 アルミニウム量子ロジック時計
NISTはストロンチウムとセシウムの原子を使うだけではありません。 2010年、NISTはアルミニウムの原子を使った原子時計を作りましたが、その精度は37億年に1秒の割合でした。 この時計は、アルミニウムの原子1個とベリリウムの原子1個を磁場に閉じ込めたものである。 レーザーで2つの原子を絶対零度近くまで冷却する。 もう一つのレーザーは、アルミニウムの状態を変化させる周波数に調整される。 しかし、アルミニウムの状態を正確に測定することは難しいので、アルミニウムをベリリウム原子に結合させる。 これは、量子コンピュータのセットアップで使用されるものと同様のプロセスである
5. ショート・シンクロノーム機械時計
原子時計はすべての栄光に輝いていますが、それが登場する前は、科学者はまだ機械時計を使用しており、いくつかは非常に正確だったと、O’Brian は述べています。 1921年に発明されたショートクロックは、原子時計に取って代わられるまでは、天文台の標準的な科学機器でした。 この時計は、真空タンク内の振り子を電線でつないだ二重構造になっている。 真空中の振り子はニッケルと鉄の合金でできており、熱膨張によって振り子の長さや振り幅が変化するのを防いでいる。 この時計は、太陽や月の重力の影響を測定することができるほど正確で、地球の自転が実は一様でないことを示したのもこの装置であった。 1980年代にアメリカ海軍天文台で行われたテストでは、この時計の精度は約12年で1秒であった。
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